5G移動通信系統傳播模型與展望

孟慶麗

（單縣電視臺，山東 菏澤 274300）

1 5G移動通信系統的傳播模型的簡介

無線信號在空間傳播中的功率和衰耗通常包含有自由空間的損耗、陰影衰落、穿透力的損耗、植被力的損耗、人身力量的損耗以及大氣力的損耗等。無線電波傳播模型用于預測空氣中無線電波的傳播損耗，它是傳播距離、工作頻率和環境參數的函數[1]。在無線網絡系統的設計階段，傳播模型主要有兩種類型：一種是直接使用電磁理論計算的確定性模型，如光線跟蹤模型；另一種是基于大量測量數據的統計模型，如Okumura-Hata、Cost231-Hata、SPM、Uma、Umi以及Rma等。

3GPP定義了5G的3D傳播模型，主要有3種模型，分別為Uma、Rma和Umi，各自的適用場景如表1所示。

表1 3GPP電波傳播模型適用場景

在實際網絡計算機規劃中，常見的傳播模型主要有0kumura-Hata、COST231-Hata、SPM、Uma和其他統計模型。

（1）0kumura-Hata模型。0kumura-Hata模型廣泛應用于90O MHz GSM中，適用于對宏梯度小區的內部路徑損耗情況進行綜合預測。Okumura-Hata數據模型測試采用的是基于對象的測試數據結果和統計數據分析進行海量統計數據分析的一種全新經驗性測試方法，其實際應用中的頻率分別為150 MHz和1 500 MHz。

（2）Cost231-Hata應用模型。其與EURO-COST共同合作創立的，并由COST技術工作委員會為其共同開發的一個HAT，其中應用頻率一般為1.5 GHz和2 GHz。

（3）SPM模型。SPM（一種標準傳播式模型）的主要頻率為150～3 500 MHz，適合于小區內半徑范圍為1～20 km的宏蜂窩系統[2]。由此可以清楚看出，0kumura-Hata、Cost231-Hata和SPM的適用頻段都應該要遠遠小于2 GHz，SPM模型的最大適用頻段大約是3.5 GHz。由于5G主頻段高于3.3 GHz，因此不再提供Okumura-Hata和COST231-Hata。SPM只能夠適用于5G高速網絡，僅能夠適用于3.5 GHz以下的某些5G頻段。隨著頻率的提高，無線信號在其傳播途中的衍射性能越來越弱，周圍的建筑物、道路會對其傳播產生負面作用。現有的傳播模型只考慮了頻率，天線高度，接收高度，衍射系數（例如損耗和距離），但是建筑物的高度，街道寬度等對于高頻數據信號的傳輸產生了一定的不利影響，這與現有的傳播模型仍然存在著一定的差異。

（4）UMa模型。UMa模型適用于建筑物密集分布的區域，該場景主要包括各個省會城市的商業中心和密集的辦公樓等區域。在這種情況下，基站天線的高度要高于周圍建筑物屋頂的高度，地面上用戶的高度（約1.5 m），同時站間距不超過500 m。

2 5G頻段分配情況

2.1 國內5G分配情況

2017年11月，工業和信息化部發布公告，正式宣布5G系統的工作頻段為3 300～3 600 MHz和4 800～5 000 MHz，其中3 300～3 400 MHz原則上僅限于室內使用。同時，工業和信息化部不再接受并批準3 600 MHz和4 800 MHz附近的新應用，這些新應用將頻段許可證用于地面固定服務，空間無線電臺服務以及空間無線電臺測量和控制[3]。中國移動在2.6 GHz頻段具有2 515～2 675 MHz的160 M寬帶，其中2 515～2 615 MHz（100 MHz）將用于部署5G，2 615～2 675 MHz（60 MHz）將用于部署4G。中國移動還擁有4 800～4 900 MHz（100 MHz）5G，可用于5G加熱、專用網絡等。中國電信和中國聯通在3.5 GHz（3 400～3 500 MHz）和3.5 GHz （3 500～3 600 MHz）頻段資源。2019年6月6日，工業和信息化部向中國電信、中國移動、中國聯通和中國廣播電視4家公司頒發了基本電信業務許可證，并批準了這4家公司運營“第五代數字蜂窩”移動通信業務。發放5G許可證促進了5G行業的發展，并加快了5G商業用途的進程。4大運營商的5G頻段具體分配如表2所示。

表2 4家企業5G頻段的分配情況（單位：MHz）

2.2 國外5G分配情況

5G網絡的基礎模塊是基礎設施用來將所有信息推送到空中的頻率波。對于此新網絡，已經有了5G NR，即5G New Radio，這是全球網絡接口標準的新名稱。3GPP同意將5G NR中使用的光譜分成兩個寬范圍。FR1、FR2是一個6 GHz，另一個是毫米波的高頻。5G NR物理層也根據該范圍規定最大值。6 GHz頻帶的各種副載波的最大帶寬和間隔是100 MHz，毫米波的最大帶寬是400 MHz。在3GPP中定義的許多副載波間隔中，15 kHz和30 kHz的兩個子載波間隔僅在6 GHz以下的頻帶中使用[4]。其他特殊子載波間隔（如120 kHz）僅在毫米波頻率范圍內使用。同時，可以在這兩個頻帶中使用幾個副載波間隔，如60 kHz，如表3所示。

表3 3GPP分配的使用于5G的FR1和FR2頻段

5G NR大致可以分為兩個不同的頻率范圍，FR1的頻帶低于6 GHz，頻率在24 GHz以上的FR2一般可以說是亳米波，屬于很高的范圍。FR1的傳輸距離更寬，它有助于擴大5G網絡的范圍。另一方面，FR2更具挑戰性，它可以提供足夠的帶寬，但是傳輸距離非常短，并且很難通過障礙物，例如墻壁。

3 5G未來展望

3.1 5G應用前景

5G技術是當前網絡發展的重點，其應用前景如下。

3.1.1 未來5G應用將聚焦4大場景

IMT-2020的推廣研究團隊得出結論，未來的5G應用將主要是集中于以下4種領域：連續性的廣域和覆蓋性的場景，如高鐵和軌道地鐵；熱點和超高容量的場景，如居民區、辦公室和露天派對；智慧城市、環境監控、智慧農業等低功耗及大連接的場景；低延時和高可靠性的解決方案，如汽車互聯網、工業管理、虛擬現實和可穿戴設備。因此，國內的企業要在5G尖端技術和產品開發兩個方面傾覆人力，并及時地做好對于尖端技術和產品的開發。

3.1.2 高速智能應用逐漸加強

5G技術是基于4G技術衍生出的通信技術，一方面大大提高了互聯網的傳輸速率，提高了網絡智能建設水平，促進了網絡的升級和發展。目前，云計算已經步入了全球發展部署時期，為5G技術優化和升級打下了堅實的基礎。借助云計算和5G智能技術，手持式低端處理功能已得到有效增強，為社會公眾提供更加便捷的網絡服務。

3.1.3 自組織網絡、復雜網絡獲得更大發展

以往，運營商需要建立和維護網絡，以確保廣大人民群眾獲得高質量的網絡服務。運營商在網絡的構建和配置過程中必然會投入大量的人力、物力和財力。換句話說，傳統網絡建設的投資成本較高。在5G的網絡下，用戶可以根據自己的需要和特點自行組建網絡，大大削減了建設成本。

3.1.4 端到端直接通信技術的廣泛應用

目前，我國現有的無線通信系統主要采用的是一種以基站為核心的星型網絡，并且全部終端都是通過互聯網進行彼此間的通信[5]。這種網絡拓撲局限于該網絡的覆蓋范圍和通訊容量。在5G互聯網網絡中，可以實現端到終始人之間直接的通信，從而使得終端能夠執行一個短距離的數據傳輸，無需中間一個節點（或者是基站）就能夠進行切換，從而大大改善了互聯網通信覆蓋范圍和用戶體驗。在移動端到端技術支持下，諸如移動用戶終端即時消息的傳遞和物聯網等各個行業內部應用程序，將會發展得更快、更好。

3.2 5G技術展望

5G技術全面適應了信息社會對未來無線移動通信系統的需要。技術方面，將繼續面臨著空口效率需要改善、覆蓋效率和服務能力亟需增強、能耗降低以及互聯網的建設與運營費用成本縮減的壓力。運營者需要探索新的盈利模型和運營管理模式，支持基于行業業務和應用的行業生態變革，實現行業的快速、健康發展與運營者可持續盈利共存。為了應對新挑戰，面向5G的技術標準將朝著創新和集成的方向發展。基于4G LTE/LTE-Advanced的移動通信網絡系統將在未來幾年繼續得到擴展和發揮作用，并將繼續在面向未來的5G系統中扮演重要角色。同時，創新的無線傳輸技術，頻率和使用的方式，網絡結構和組網技術將逐步成熟并進一步走向商業應用。解決長期市場需求的增長，頻率和使用成本之間的矛盾，帶來更高的通信能力和更好的業務體驗。并且它與其他無線寬帶技術緊密集成在一起。

創新型移動通信系統頻率有限，并且LTE及其演進系統的應用在技術和互聯網方面存在著時間的局限性。在全球經濟社會發展對無線移動寬帶的需求正在迅猛增長之際，5G的發展也需要尋找具有突破性的技術手段來實現其長期的需求。當前所看到的一些潛在創新性方向主要包括以下幾點。

（1）新型頻率的利用方法：未來市場需求的爆發性變化與有限頻率之間的沖突，并且有固定頻率的分配和使用效果降低的可能性，有必要進一步探索新頻率的利用方法。

（2）新的空口數據傳輸技術：由于科學技術的進步和新理論不斷形成，逐步引入新的空中接口數據傳輸技術，需要進一步進行理論分析和技術實現，以實現對空中接口數據的傳輸速率進行實質性的改進。

（3）新型網絡架構：移動帶寬網絡系統可以通過借鑒固定帶寬網絡系統中的SDN技術，將多種無線網絡特性和功能要求與多種頻率，多種系統和移動性相結合，重新建立更靈活的5G無線網絡系統架構，以滿足未來行業發展的需要，并通過培訓引導運營商繼續盈利來維護整個移動帶寬行業生態系統正常工作。

4 結 論

5G網絡技術是當今時代背景下移動通信技術的必然發展。與其他通信技術相比，5G網絡技術超越了以往的通信技術，成為未來通信技術的主流。應當加強5G通信技術的深入研究，闡述其核心體系，充分利用自身的優勢與特征，在提高數據傳輸速率和降低能源消耗兩個方面，滿足了管理及網絡的根本性需求。

未來5G移動通信技術的發展仍然還需走很長一個路，由于5G是使用的高頻寬帶，目前現有的移動通信傳播模式已經不能夠完全滿足，建議將3.5 GHz以下的頻帶上使用校正后的SPM模型或38.673定義的UMa模型。5G移動通信系統在未來的研發中仍然需要不斷地探索和完善，為5G移動通信技術的廣泛應用和發展提供支持。